第四节 骨骼肌的收缩功能

　　机体各种形式的运动，主要靠肌细胞的收缩活动来完成。根据肌肉的功能特性，可将其分为骨骼肌、平滑肌和心肌；根据其形态学特点，可分为横纹肌和平滑肌；根据神经支配，可分为随意肌和非随意肌。本节重点讨论横纹肌的收缩。

　　一、横纹肌

　　（一）骨骼肌神经-肌接头处兴奋的传递

　　1．结构基础：骨骼肌的神经-肌接头（neuromuscularjunction）是由运动神经末梢和与它接触的骨骼肌细胞膜形成的。电镜下分为：接头前膜、接头间隙和接头后膜(终板膜)。

　　2．传递过程：当动作电位沿着神经纤维传至神经末梢时，引起接头前膜电压门控性Ca2+通道的开放→Ca2+在电化学驱动力作用下内流进入轴突末梢→末梢内Ca2+浓度增加→Ca2+触发囊泡向前膜靠近、融合、破裂、释放递质ACh→ACh通过接头间隙扩散到接头后膜（终板膜）并与后膜上的Ach受体阳离子通道上的两个α-亚单位结合→终板膜对Na+、K+通透性增高→Na+内流（为主）和K+外流→后膜去极化，称为终板电位(endplate potential，EPP)→终板电位是局部电位可以总和→邻近肌细胞膜去极化达到阈电位水平而产生动作电位。Ach发挥作用后被接头间隙中的胆碱脂酶分解失活。

　　3.特点：①单向传递；②时间延搁；③1对1的关系;④易受环境因素和药物的影响。

　　4.注意:①神经肌肉接头处的信息传递实际上是“电—化学—电”的过程，神经末梢电变化引起化学物质释放的关键是Ca2+内流，而化学物质ACh引起终板电位的关键是ACh和Ach受体阳离子通道上的两个α-亚单位结合后结构改变导致Na+内流增加。②终板电位是局部电位，具有局部电位的所有特征，其本身不能引起肌肉收缩；但每次神经冲动引起的ACh释放量足以使产生的终板电位总和达到邻近肌细胞膜的阈电位水平，使肌细胞产生动作电位。因此，这种兴奋传递是1对1的。③Ach是在轴浆中合成后储存于囊泡内。每个囊泡中储存的Ach量通常是相当恒定的，释放时是通过出胞作用，以囊泡为单位倾囊释放，称为量子释放(quantalrelease)。

　　(二)横纹肌细胞的微细结构

　　横纹肌细胞在结构上的主要特点是含有大量的肌原纤维和发达的肌管系统，且在排列上是高度规则有序的。
　　1.肌原纤维和肌节：光镜下每条肌原纤维(myofibril)的全长都呈现规则的明暗交替，分别称为明带和暗带，在明带的中央有一条横向的暗线，称为Z线。肌原纤维上每一段位于两条Z线之间的区域，称为肌节(sarcomere)；肌节是肌肉进行收缩和舒张的最基本功能单位。电镜下，肌节的明带和暗带包含有更细的、平行排列的丝状结构，称为肌丝。暗带中含有的肌丝较粗，称为粗肌丝；明带中含有的肌丝较细，称为细肌丝；粗细肌丝在空间上呈规则的排列。

　　2.肌管系统：包绕在每一条肌原纤维周围的膜性囊管状结构，称为肌管系统（sarcotubularsystem）。包括横管和纵管两套独立的系统。

　　①横管(T管): 是肌细胞膜沿Z线垂直肌原纤维走向向内凹陷而环绕肌原纤维的管道。作用是将肌细胞膜兴奋时出现的电变化（AP）沿T管膜传入细胞内部。

　　②纵管（L管，肌质网）：在肌节中间部位与其平行，相互吻合。在肌原纤维周围的肌质网（sarcoplasmicreticulum，SR）也称为纵行肌质网（longitudinal SR，LSR）; 纵行肌质网膜上有钙泵。肌质网的末端膨大或呈扁平状,称为连接肌质网（junctional SR，JSR）,在骨骼肌也称为终池(terminalcisterna)。作用是通过对Ca2+的储存、释放和再聚集，触发肌节的收缩和舒张。

　　③三联管结构: 骨骼肌中80%的T管与其两侧的终池构成三联管（triad）结构。它是兴奋-收缩耦联的关键部位。

　　(三)横纹肌的收缩机制

　　50年代初期由Huxley等提出的用肌节中粗、细肌丝的相互滑行来说明收缩机制的肌丝滑行理(myofilament sliding theory)，目前已被公认。那么，究竟是什么原因促使肌节内的细、粗肌丝相互滑行的？

　　1.肌丝的分子组成：粗肌丝主要由许多平行排列的肌球蛋白 (亦称肌凝蛋白，myosin)构成。肌球蛋白分子呈杆状，杆的一端有两个球形的头。杆状部分都朝向M线平行排列，形成粗肌丝的主干；头部连同与它相连的一小段称为“桥臂”的杆状部分，一起由肌丝中向外伸出，形成横桥（cross-bridge）。横桥的几何排列严格而有规则，有以下特性：在一定条件下，可以和细肌丝上的肌动蛋白分子呈可逆性的结合；具有ATP酶的作用，可以分解ATP而获得能量，供横桥摆动。
细肌丝由三种蛋白构成：两条肌动蛋白（亦称肌纤蛋白，actin）聚合的单链相互缠绕，形成细肌丝的主干，其内壁上有横桥的结合位点；原肌球蛋白（也称原肌凝蛋白,tropomyosin）是由两条肽链组成的双螺旋分子，与肌动蛋白平行, 位于肌动蛋白螺旋沟内, 挡住其上的横桥结合位点。肌钙蛋白（troponin ，亦称原宁蛋白）分C、T、I三个亚单位，C亚单位中有带双负电荷的位点，与肌浆中Ca2+有很大的亲和力，每个肌钙蛋白分子可结合4个Ca2+，并通过构象的改变启动收缩过程。    

　　2.肌肉收缩的过程：肌细胞膜兴奋传导到终池→终池Ca2+释放→胞质内Ca2+浓度增高→Ca2+与肌钙蛋白结合→原肌球蛋白变构，暴露出肌动蛋白上的活化位点→处于高势能状态的横桥与肌动蛋白结合→横桥头部发生变构并摆动→细肌丝向粗肌丝滑行→肌节缩短。

　　注意：①在肌肉处于舒张状态时，横桥结合的ATP被分解，分解产物ADP和无机磷酸仍留在头部，此时的横桥处于高势能状态，其方位与细肌丝垂直，并对肌动蛋白有高度亲和力，但因为肌动蛋白上的活化位点被原肌球蛋白和肌钙蛋白的复合物遮盖了而不能与之结合。②当横桥头部发生变构并摆动的同时，ADP和无机磷酸与之分离，在ADP解离的位点，横桥头部结合一个ATP分子；结合ATP后，横桥头部与肌动蛋白的亲和力降低，并与之解离。③解离后的横桥头部迅速将与之结合的ATP分解，并恢复高势能状态。此后，根据Ca2+浓度的水平，肌肉重复上述的收缩过程或进入舒张状态。④横桥与肌动蛋白结合、摆动、复位和再结合的过程，称为横桥周期（cross-bridge cycling），周期的长短决定了肌肉的缩短速度。

　　（四）横纹肌的兴奋-收缩耦联

　　1.概念：将电兴奋和机械收缩联系起来的中介机制，称为兴奋-收缩耦联(excitation-contraction coupling)。

　　2.结构基础：肌管系统，关键部位为三联管结构。

　　3.基本过程：①电兴奋沿肌膜和T管膜传播，同时激活T管膜和肌膜上的L型钙通道；②激活的L型钙通道通过变构作用（在骨骼肌）或内流的Ca2+（在心肌）激活连接肌质网（JSR）膜上的钙释放通道（或称ryanodine受体，RYR），RYR的激活使JSR内的Ca2+释放入胞质；③胞质内Ca2+浓度升高引发肌肉收缩；④胞质内Ca2+浓度升高的同时，激活纵行肌质网（LSR）膜上的钙泵，回收胞质内Ca2+入肌质网，肌肉舒张。其中，Ca2+在兴奋-收缩耦联过程中发挥着关键的作用。

　　4.注意：①骨骼肌和心肌SR释放Ca2+的机制不同。②L型钙通道在心肌和骨骼肌的作用不同。在心肌，经L型钙通道内流的Ca2+触发SR释放Ca2+的过程，称为钙触发钙释放。在骨骼肌，L型钙通道在引起SR释放Ca2+的过程中，是作为一个对电位变化敏感的信号转导分子，而不是作为离子通道来发挥作用的。③骨骼肌和心肌肌质网膜上的钙泵回收的Ca2+量不同。

　　（五）影响横纹肌收缩效能的因素

　　肌肉收缩效能（performance of contraction）表现为收缩时产生的张力和（或）缩短程度，以及产生张力或缩短的速度。若肌肉收缩时只有张力的增加而无长度的缩短，则这种收缩的形式称为等长收缩（isometric contraction）；其作用是保持一定的肌张力，维持人体的位置和姿势。若肌肉收缩时只有长度的缩短而张力保持不变，则这种收缩的形式称为等张收缩（isotonic contraction）；是在肌肉收缩时所承受的负荷小于肌肉收缩力的情况下产生的，即肌肉的收缩力除克服负荷，还可使物体产生位移。

　　1.前负荷：肌肉在收缩前所承受的负荷,称为前负荷(preload)。前负荷使肌肉在收缩前就处于某种被拉长的状态，使其具有一定的长度，称为初长度（initial length）。肌肉收缩产生的张力是与能和细肌丝接触的横桥数目成比例的。能产生最大主动张力的肌肉初长度，称为最适初长度；此时的前负荷称为最适前负荷。达到最适前负荷后再增加负荷或增加初长度，肌肉收缩力降低。可见，一定范围内肌肉初长度与肌张力呈正变；超过一定值，呈反变。

　　2.后负荷：肌肉在收缩过程中所承受的负荷，称为后负荷（afterload）。它不增加肌肉的初长度，但能阻碍收缩时肌肉的缩短。肌肉在有后负荷的条件下收缩时，总是张力增加在前，缩短在后。后负荷与肌肉缩短速度呈反比关系。肌肉的缩短速度取决于横桥周期的长短，而收缩张力则取决于每瞬间与肌动蛋白结合的横桥的数目。

　　3.肌肉的收缩能力：肌肉收缩能力（contractility）是指与负荷无关的、决定肌肉收缩效能的内在特性。主要取决于肌肉兴奋-收缩耦联过程中胞质内Ca2+的水平和肌球蛋白的ATP酶活性。

　　4.收缩的总和: 骨骼肌通过收缩的总和可快速调节收缩的强度。有两种形式：运动单位数量的总和以及频率效应的总和。

　　（1）运动单位：一个脊髓前角运动神经元及其轴突分支所支配的全部肌纤维，总称为一个运动单位（motorunit）。弱收缩时，总是较小的运动神经元支配的小运动单位发生收缩；随着收缩的加强，会有越来越多和越来越大的运动单位参加收缩，产生的张力也随之增加；舒张时，停止放电和收缩的首先是最大的运动单位，最后才是最小的运动单位。骨骼肌这种调节收缩的方式，称为大小原则（size principle）。

　　（2）频率对骨骼肌收缩的影响：骨骼肌受到一次短促刺激时，可发生一次动作电位，随后出现一次收缩和舒张,称为单收缩（single twitch）。可分为三个时期：潜伏期、收缩期和舒张期。当骨骼肌受到连续刺激时，若连续脉冲刺激频率较低，刺激间隔时间大于单个单收缩持续的时间时，出现的是一个个的单收缩；若连续脉冲刺激频率较高，刺激间隔时间短于单个单收缩持续的时间时，肌肉发生收缩的总和，称为强直收缩（tetanus）。肌肉发生强直收缩时，出现了收缩形式的总和，但引起收缩的动作电位仍是独立存在的。强直收缩又分为不完全强直收缩和完全强直收缩。

　　①不完全强直收缩(incomplete tetanus)：每次新的收缩都出现在前次收缩的舒张期过程中，表现为锯齿形的收缩曲线。

　　②完全性强直收缩(complete tetanus)：刺激频率更高时，每次新的收缩都出现在前次收缩的收缩期过程中,表现为机械反应的平缓增加。通常所说的强直收缩是指完全性强直收缩，其张力比单收缩强3～4倍。